Al-Zn-Mg-(Cu)合金中纳米析出相的微观结构及其演变规律研究

Al-Zn-Mg-(Cu) alloys have been widely applied in high-speed train and aircraft industry, and have therefore attracted a great deal of attention. These alloys have an ultra-high strength, mostly due to the precipitated nano-particles in the Al-matrix. However, with a wide range of alloy compositions, these alloys require further studies. Especially, owing to their samll size, the single-nano sized precipitates are very difficult to be characterized for their structures by conventional electron microscopy. Hence, the problems about their structures and their evolutions have thus far not yet been adequately solved. Recently, the devolopment of atomic-resolution electron microscopy has made it feasible to fully understand the evolutions of these precipitates well at the atomic scale. This project aims to determine the atomic structures and evolutions of these precipitates by means of quantitative high-resolution electron microscopy, exit-wave function reconstruction, Z-contrast imaging in aberration-corrected electron microscopy, in association with the first principle calculations. It is important to understand the precise relationship of "composition - structure - technique - property", in order to optimize the processes and to improve the mechanical properties of the alloys. The applicant has already worked in the field of electron microscopy and Al alloys for many years, and has accumulated rich experience about the alloys. With the help of atomic imaging platform at Hunan University, this project can push the aimed study in depth and shall be fruitful.

7000系（AlZnMg(Cu)）铝合金在高速列车和航空领域都有非常重要的应用，并有很大的研究价值和开发前景。析出相强化是其主要的强化机制。然而，该合金中析出相的尺寸都在单个纳米左右，结构表征技术难度很大。因此关于该类合金中重要析出相的结构及其演变规律的问题至今尚未完全解决。随着先进电子显微学技术的发展，该问题有望得到较彻底解决。本项目结合新一代球差矫正电镜，拟采用定量高分辨电子显微学，出射波函数重构，Z衬度像等技术，测定7000系铝合金中纳米析出相的原子结构、成分及其与铝基体之间的界面结构，并利用第一原理计算深入系统研究析出相形貌、晶体学结构在原子层次上的演变规律。相关研究结果可以加深人们在原子尺度上对合金成分-结构-工艺-性能之间相互关系的理解，还有利于应用工程师们优化合金工艺，制备出更高性能的合金材料。申请者具有多年的电子显微学和铝合金微结构研究基础，近期内有望取得较大的研究成果。

AlZnMg(Cu)合金因高强、轻质被广泛应用于航空、高速列车、高档轿车等交通领域。与其广泛的工业应用背景形成鲜明对比的是其相变基础理论的匮乏。本项目联合多种先进的电子显微学表征技术或自行研发的表征手段，系统研究了AlZnMg(Cu)合金热处理过程中的非平衡相变，丰富了该合金系的非平衡相变理论：（1）发现并命名了一种强化相ηp；（2）提出了ηp相的原子结构模型，揭示了亚稳相ηp与平衡相η之间的结构关系；（3）修正了文献争议多年的ηʹ相的原子结构模型；（4）揭示了ηʹ相、ηp相各自的形核机理及演化规律；（5）报道了一种新的析出序列：SSSS → GPηp →ηp →η phase；（6）揭示了强化相与合金成分Mg/Zn原子比之间的定性关系；（7）揭示了析出相形貌演变与力学性能之间的关系，溶质原子迁移与非平衡相变及晶界无析出带之间的关系；（8）揭示了T相强化机制，并根据该机制设计了一种新的合金，有效抑制了晶界无析出带的形成，获得专利授权。在研究方法上：（1）提出出射波函数重构软件校正像差技术和扫描透射电镜大角环形暗场像相结合可以有效获得单个纳米尺度析出相的带有成分信息的原子结构；（2）自主研发了一种用于观察三维原子探针试样的透射电镜样品台，将透射电镜和三维原子探针技术有效集成，为材料表征提供更多的成分和结构信息。本项目研究过程中共发表SCI论文6篇，核心期刊论文2篇；授权专利2项；参编教材1部；培养博士研究生5名，硕士研究生3名；协助举办国际会议1次，2次参加国际会议作邀请报告，3次国际/国内会议做口头报告。在社会服务方面，项目完成人作为主要技术骨干参与了中车青岛四方“动车组用铝合金材料国产化”项目的研究，利用本项目获得的理论知识为高速列车车身材料的发展略尽绵薄之力。在成果技术转移方面，项目完成人自主研发的“一种用于观察三维原子探针试样的透射电镜样品台”已成功产业化，并走向市场。